CZUŁOŚĆ CHEMICZNA W MIKROSKOPII SIŁ ATOMOWYCH

Transkrypt

1 CZUŁOŚĆ CHEMICZNA W MIKROSKOPII SIŁ ATOMOWYCH Marek Szymoński Centrum Badań Układów Nanoskopowych i Zaawansowanych Materiałów (NANOSAM) Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytet Jagielloński

2 Plan: 1) Pomiar sił atomowych w dynamicznej wersji AFM (DFM) 2) Podstawy spektroskopii i mikroskopii sił przy pomocy sondy Kelvina (KPFS/KPFM) 3) Układ pomiarowy 4) Przykłady zastosowań mikroskopii sił: - epitaksja KBr na InSb(001) - nanostruktury Au na InSb(001) oraz KBr na Au/InSb(001) - nanostruktury Ag na Ge(111). 7) Podsumowanie Motywacja badań: Nanotechnologia potrzebuje bezinwazyjnej metody diagnostycznej do badania topografii powierzchni oraz jej właściwości elektronowych i chemicznych z nanometrową (atomową/molekularną) zdolnością rozdzielczą. Powierzchnia stanowi dominujący element składowy nanostruktur!!

3 Inny sposób pomiaru sił atomowych: Dynamiczny (bezkontaktowy) NC-AFM (DFM) detector U.D. Schwartz et al.. Physical Review B (2000) Δf D, A Drgająca dźwignia z ostrzem w pobliżu powierzchni f0 2 V int D ka 3/2 π λ D '

4 Oddziaływania ostrza z powierzchnią badane przez DFM 3 rodzaje oddziaływań ma wpływ na częstotliwość drgań dźwigni DFM siły van der Waals a, siły elektrostatyczne i siły chemiczne ; wszystkie 3 mają różne zasięgi Długozasięgowe oddziaływania elektrostatyczne mogą być zminimalizowane poprzez dobór napięcia pomiędzy ostrzem a próbką Długozasięgowe siły van der Waals a mogą być zminimalizowane przez użycie ostrych ostrzy M. Guggisberg et al. PRB 61, (2000) Kontrast atomowy można uzyskać wyłącznie dzięki krótkozasięgowym siłom typu chemicznego interpretacja obrazów z rozdzielczością atomową jest jednak dość skomplikowana

5 Układ eksperymentalny do badań w UHV

6

7

8 Demonstracja atomowej zdolności rozdzielczej w obrazowaniu DFM dla powierzchni KBr (100) poddanej desorpcji wiązką elektronów

9 Obrazowanie powierzchni (001) półprzewodnika AIII-BV DFM LEED c(8x2) Å 8 Å < > 4 <1 1 0> <1 1 0> 100x100 Czysta powierzchnia InSb(001) jest przygotowana poprzez rozpylanie jonowe powierzchni wiązką niskoenergetycznych jonów Ar+ o energii 700 ev w temperaturze 700K, a następnie wygrzewana w tej temperaturze przez 10h. Powierzchnia musi mieć duże płaskie tarasy z małą ilością defektów. Jakość powierzchni kontrolowana jest za pomocą metody dyfrakcji niskoenergetycznych elektronów (LEED) i dynamicznej mikroskopii sił atomowych (DFM).

10 Skokowe zmiany obrazu podczas skanowania: 1 2 Hz 16 0 f = -110 Hz

11 Takie zjawisko było przewidziane teoretycznie dla powierzchni GaAs (110) (S.H. Ke et al. PRB (1999), PRB (2001) ) Zgodnie z tymi przewidywaniami: Si tip atom at tip apex atom Sb na końcu ostrza atom In na końcu ostrza atom Si na końcu ostrza obrazowane są atomy In obrazowane są atomy Sb obrazowane są atomy In and Sb

12 Model struktury powierzchni c(8x2) InSb(001) C. Kumpf, et al. Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 3586.

13 f0= 111 khz, amplituda nm, Rozmiar obrazu 100x100Å wzór 1 20 Å Hz 4 0 [110] [1-10] f = -110 Hz atomy In zobrazowane jako jasne

14 obraz 2 20 Å Hz 4 0 [110] [1-10] f = -111 Hz Atomy Sb obrazowane jako jasne

15 obraz 3 chemiczna! możliwa rozdzielczość Wszystkie atomy są obrazowane 20 Å Hz 4 0 [110] [1-10] f = -101 Hz

16 Inna możliwość uzyskania informacji chemicznej: - mikroskopia sił z użyciem sondy Kelvina (KPFM) - mikroskopię KPFM, w oparciu o zasadę działania techniki DFM, wynaleziono w roku 1991 [M. Nonnenmacher, et al., Appl. Phys. Lett. 58 (1991) 2921.] - przy pomocy tej techniki możemy obrazować lokalny potencjał elektrostatyczny w skali nanometrowej i z rozdzielczością kilku mv.

17 Pomiar kontaktowej różnicy potencjałów (CPD) wdł. Propozycji Lorda Kelvina (1898) Plate capacitor A E B Evac φb φa A EFerm EFerm A d, ω vibrating plate capacitor B q = C U V CPD i t = U t C U V CPD ωd cosωt z U = V CPD i t =0 DFM A B - + E Evac e VCPD φa φb ea q = C V CPD EFerm A U B 1 C F el = U V CPD 2 2 z

18 Zasada działania KPFM KPFM mierzy równolegle topografię i potencjał powierzchniowy (obraz CPD ) skanowanej próbki. Podczas pomiaru topografii próbka jest spolaryzowana napięciem: V sample =V DC V AC sin ωt Fωel (VDC, ω, 2ω) Wzmacniacz lock-in dokonuje pomiaru składowej - ω sygnału Fel(t) mierzonego jako sygnał odstrojenia f kantilewera 1 ω 2 C F el t = V DC V AC sin ωt V CPD 2 z Różnica potencjałów kontaktowych VCPD jest wyznaczana dla: ω V DC =V CPD F el t =0

19 Zatem dla obrazowania sił przy pomocy sondy Kelvina musimy zmodyfikować nasz mikroskop DFM generator Lock-in amplifier (ω) VACsinωt regulator CPD VDC = VCPD W niniejszej pracy: ω = 500 Hz VAC = 600 mv Część KPFM

20 PRZYKŁADY zastosowania spektroskopii KPF do charakteryzacji wysp KBr na InSb(001)

21 Cleaning procedure of InSb(001) - cycles of low energy (700 ev) off normal (60o) Ar+ bombardment of InSb(001) at temperature of 700 K and annealing to 750 K for few hours Topography (DFM) LEED - c(8x2) Epitaxial growth of KBr KBr molecules K-cell substrate KBr T = 720K InSb(001) rate 0.8ML/min T = 370K

22 OBRAZ TOPOGRAFICZNY (DFM) wysp KBr na InSb(001) KBr island

23 Spektroskopia KPF dla KBr/InSb(001) U The surface potential of KBr/InSb system is lower by about 210 mv with respect to the surface potential of InSb substrate surface

24 Mikroskopia KPFM dla KBr/InSb(001) Obraz topograficzny Obraz CPD 4 nm Zdolność rozdzielcza: For the KBr/InSb system, the KPFM technique was able to distinguish two KBr islands which are separated 4 nm from each other.

25 Kelvin Probe Force Microscopy on KBr/InSb(001) DFM image KPFM image

26 KBr/InSb(001) potencjał elektrostatyczny na krawędzi stopnia atomowego DFM image KPFM image

27 Kelvin Probe Force Microscopy on KBr/InSb(001) KPFM technique, despite its limited spatial resolution due to detection of long-range electrostatic interaction, is capable of imaging variations of the electrostatic potential associated with monatomic steps CPD monatomic substrate step (mv) VCPD 30 mv CPD Topography X (A)

28 Topographic height in DFM and KPFM DFM imaging: total interaction between the probe and the surface = constant In the case of imaging of heterogeneous structures the visible topography is highly influenced by the changes of the electrostatic interaction between the probe and the imaged surface areas of different composition. Topography of KBr/InSb Topography of KBr(001) o 1.92 A DFM image (Vsample = const.) DFM image (Vsample = const.) o 2.42 A Krakow, KPFM image o 2.51 A 28

29 Kelvin Probe Force Microscopy limits of lateral resolution

30 Kelvin Probe Force Microscopy imaging with an atomic resolution? InSb(001) Topography CPD indium sublattice m V O A O A O A

31 Kelvin Probe Force Microscopy on KBr/InSb(001) CPD topography h 0.8 Å after tip crash h -0.8 Å

32 Kelvin Probe Force Microscopy on KBr/InSb(001) F total =F short F vdw, F electr. 0 tip Ftotal = Fshort + FvdW Ftotal = F + FvdW KBr island short InSb substrate Δf vdw = AH R f0 6 2πz A0 ka0 3 1 z 3

33 Kelvin Probe Force Microscopy on Au/InSb(001)

34 Kompleksowa analiza nanostruktur Au na InSb(001) <110> Au podłoże InSb(001) Ilość naparowywanego złota kontrolowana jest za pomocą wagi kwarcowej; Szybkość naparowywania złota odpowiada 0,4 ML/min.

35 0,2 ML Au/InSb(001) as 100 oc Topography after 300 oc Topography V V 0,30, 7 CPD 0,20, 6 CPD 0,5 0,1 00, 4 400

36 Nanostruktury drutowe powstające w układzie Au/InSb(001) w temperaturze 600K DFM CPD- mapa > -0 1 < <110> Å 15 V µ m Obrazowanie lokalnej różnicy potencjału kontaktowego pozwala na stwierdzenie, ze druty bardzo niskie (1-2 warstwy) maja charakter chemiczny podloża! Druty wyższe maja wyraźną rożnicę CPD odpowiadającą dużym wyspom Au.

37 Kelvin Probe Force Microscopy w układzie 3 materiałów: KBr / Au / InSb(001)

38 0,3 ML KBr (T=110 C) +0,2 ML Au (T=300 C) na InSb (001) c(8x2) DFM- topografia CPD

39 0,3 ML KBr + 0,2 ML Au on InSb(001)

40 Kelvin Probe Force Spectroscopy on Ag/Ge(111) Topography of 4 ML Ag film deposited on Ge(111) Ag

41 Kelvin Probe Force Microscopy on Ag/Ge(111) topography CPD parameters: ω = 630 Hz VAC = 200 mvpeak-to-peak

42 Podsumowanie: dokładna analiza oddziaływań pomiędzy ostrzem a powierzchnią (natura chemiczna atomów na końcu ostrza) pozwala na uzyskanie w technice DFM atomowej zdolności rozdzielczej dla metali, półprzewodników i izolatorów, często z czułością chemiczną; mikroskopia KPFM daje unikalne możliwości obrazowania chemicznego powierzchni z nanometrową zdolnością rozdzielczą (nawet przy braku kontrastu topograficznego); dla heterostruktur KPFM daje możliwość uzyskania prawdziwej skali wysokości w sensie topograficznym; KPFM pozwala na rejestrowanie zmian potencjału elektrostatycznego na krawędzi nawet monoatomowych stopni; kontrast w KPFM w skali atomowej odzwierciedla zależność krótkozasięgowego oddziaływania od napięcia pomiędzy ostrzem a próbką.

43 P. Cyganik P. Czuba Współpracownicy P. Goryl J. Konior J. Kołodziej P. Korecki F. Krok P. Piątkowski M. Szymoński Doktorantki: M. Goryl A. Siegel K. Szelągowska M. Targosz Centrum Badań Układów Nanoskopowych i Zaawansowanych Materiałów (NANOSAM), Instytut Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego, Uniwersytet Jagielloński, Kraków